汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化

吳希玲，徐文婷，應(yīng)宇汀

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315300）

前言

汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是在制動(dòng)時(shí)不斷降低汽車(chē)速度。同時(shí)，必須確保車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中不受地面坡度的影響，以便在施加制動(dòng)時(shí)車(chē)輛能夠穩(wěn)定，可靠地向下滑動(dòng)。汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)最常用車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)最常用的制動(dòng)方法是：氣動(dòng)制動(dòng)[1]。 這種制動(dòng)方法主要用于重型車(chē)輛動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的重型車(chē)輛可在停車(chē)時(shí)有效隔離車(chē)輛，從而確保在行駛時(shí)減少車(chē)輛慣性障礙。在制動(dòng)系統(tǒng)中，氣動(dòng)系統(tǒng)的主要組件是制動(dòng)閥和制動(dòng)踏板。一般來(lái)講，氣動(dòng)系統(tǒng)裝于汽車(chē)后輪處，同時(shí)利用強(qiáng)力彈簧控制有效地將壓力施加在車(chē)輛上。筆者重點(diǎn)探究了車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)以及汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的組成，并闡述了其工作原理及性能，從而可以適當(dāng)?shù)馗纳破?chē)的性能。這種設(shè)計(jì)提供了信息，還可以分析制動(dòng)力在汽車(chē)的制動(dòng)軸之間的分布，從而使汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)更一致、更穩(wěn)定，進(jìn)一步提高安全性。

1 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的主要工作原理

本文著重圍繞氣動(dòng)制動(dòng)進(jìn)行工作原理解釋說(shuō)明。重型車(chē)行駛階段，駕駛員制動(dòng)之前，車(chē)輛的前制動(dòng)室和后制動(dòng)室通過(guò)制動(dòng)閥和快速釋放閥與外部大氣連通。車(chē)輛制動(dòng)腔和車(chē)輛氣罐內(nèi)壓縮空氣有效分隔，故而能夠安全穩(wěn)定行駛。但踩下制動(dòng)器后，就可以合理調(diào)控汽車(chē)制動(dòng)性能。這種情況下，制動(dòng)閥會(huì)直接阻隔前后制動(dòng)腔。同時(shí)，與外部環(huán)境的連接允許前后的初始空氣空間與汽車(chē)儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣連通。這時(shí)，因壓縮空氣二產(chǎn)生的氣流引起車(chē)輛前后制動(dòng)器和對(duì)應(yīng)車(chē)輪間摩擦，借此達(dá)到制動(dòng)目標(biāo)[2]。

2 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的主要性能

首先，評(píng)估系統(tǒng)制動(dòng)能力和汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的恒定性。 其次，評(píng)估汽車(chē)制造方法。 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效能

系統(tǒng)制動(dòng)效率核心功能在于駕駛期間高效制動(dòng)和停止車(chē)輛，并使車(chē)輛保持在稀薄狀態(tài)[3]。所以，車(chē)輛制動(dòng)性能最核心的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)即為縮減車(chē)輛制動(dòng)所需要的距離以及時(shí)間，以達(dá)到制動(dòng)性能安全標(biāo)準(zhǔn)，為行車(chē)安全提供更大保障。

2.2 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的恒定性

即車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中保證汽車(chē)長(zhǎng)期制動(dòng)和連續(xù)維護(hù)的能力[4]。因此，連續(xù)維護(hù)性能屬于系統(tǒng)恒定性不可忽視設(shè)計(jì)要求，必須得到更多關(guān)注。

2.3 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

眾所皆知，系統(tǒng)穩(wěn)定性占有極其關(guān)鍵地位，尤其必須保證制動(dòng)時(shí)車(chē)輛不會(huì)出現(xiàn)打滑情況。因此，對(duì)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高，這對(duì)駕駛汽車(chē)的安全性非常重要。因此，穩(wěn)定性是必須確保的性能，并滿足汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)，才能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2.4 關(guān)于汽車(chē)制動(dòng)性相應(yīng)參數(shù)選取

本次遵照車(chē)輛制動(dòng)原理，主要研究同步摩擦系數(shù)，I曲線與制動(dòng)力的核心問(wèn)題。研究汽車(chē)的制動(dòng)性能通常涉及系統(tǒng)數(shù)字模擬，一般必須以強(qiáng)大、有效模擬程序來(lái)計(jì)算。各項(xiàng)參數(shù)如下表所示：

表1 汽車(chē)制動(dòng)性分析車(chē)型參數(shù)表

3 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)性能故障模式

制動(dòng)系統(tǒng)核心操作機(jī)構(gòu)，真空助力器，制動(dòng)器、總泵、管道，ABS液壓/控制單元，制動(dòng)液。如果控制機(jī)構(gòu)操作有誤，管路受損泄漏，制動(dòng)間隙設(shè)置有誤，電磁閥密封性較差，ABS控制單元異?；蛳嚓P(guān)零件損壞，制動(dòng)故障，制動(dòng)故障，并且會(huì)發(fā)生制動(dòng)故障[5]。諸如偏差，制動(dòng)阻力/噪音等問(wèn)題。下文主要研究不同故障具體情況與起因。

3.1 液壓制動(dòng)失效

行車(chē)途中，即便踩住制動(dòng)踏板，仍無(wú)法形成有效制動(dòng)，就算不斷進(jìn)行制動(dòng)，依舊沒(méi)有直觀減速效果。對(duì)此類(lèi)故障而言，具體原因并不單一，經(jīng)歸納整理說(shuō)明如下：1）主或輪缸密封件遭受破壞或磨損；2）制動(dòng)管損壞或接頭松動(dòng)；3）主缸制動(dòng)液不足；4）移動(dòng)踏板已斷開(kāi)與主缸的機(jī)械連接；5）真空放大器故障或泄漏；6）ABS液壓?jiǎn)卧潭ㄩy卡住[6]。

圖1 車(chē)輪受力簡(jiǎn)圖

3.2 液壓制動(dòng)不靈分析

當(dāng)駕駛員踩踏制動(dòng)踏板時(shí)，汽車(chē)無(wú)法正常減速或及時(shí)停車(chē)，各車(chē)輪制動(dòng)作用較差，制動(dòng)距離與時(shí)間都較長(zhǎng)。結(jié)合實(shí)際情況歸納梳理可知，此類(lèi)故障發(fā)生原因如下：1）制動(dòng)管路內(nèi)存在氣泡；2）主/輪缸，活塞等產(chǎn)生明顯磨損；3）制動(dòng)油管受損泄漏；4）踏板空轉(zhuǎn)太長(zhǎng)；5）制動(dòng)間隙超出正常水平，且自動(dòng)調(diào)控機(jī)構(gòu)失效；6）主缸出/回油閥密封性較差，或活塞回油彈簧預(yù)緊力不足；7）制動(dòng)盤(pán)或摩擦片存在油污；8）真空助力器異常；9）停車(chē)制動(dòng)器沒(méi)有充分釋放；10）增壓閥遭到阻塞。

3.3 液壓制動(dòng)拖滯分析

踩踏制動(dòng)踏板時(shí)，部分或全部車(chē)輪制動(dòng)作用不能立即釋放。該故障將導(dǎo)致制動(dòng)鼓變熱，車(chē)輛將變得脆弱且難以啟動(dòng)。當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，汽車(chē)無(wú)法立即減速或停止，每個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)效果均不清楚，制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間也很長(zhǎng)，控制機(jī)制差，主缸或輪缸活塞卡死，制動(dòng)管路堵塞，停車(chē)制動(dòng)器未完全釋放，制動(dòng)盤(pán)發(fā)生變形，間隙自動(dòng)調(diào)控機(jī)構(gòu)操作有誤，輪轂軸承潤(rùn)滑存在問(wèn)題。

3.4 液壓制動(dòng)跑偏分析

所謂制動(dòng)偏差，即左/右車(chē)輪制動(dòng)力各異，或制動(dòng)力出現(xiàn)時(shí)間各異，使得汽車(chē)用過(guò)高制動(dòng)力或過(guò)早制動(dòng)作用朝側(cè)面行車(chē)。結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，此類(lèi)故障起因非常多，經(jīng)歸納整理具體如下：1）各車(chē)輪制動(dòng)間隙各異，摩擦墊的磨損程度不一致；2）兩側(cè)胎壓不同，磨損程度不一致；3）制動(dòng)管路的一側(cè)泄漏，凹槽的堵塞導(dǎo)致制動(dòng)液流動(dòng)不良或有空氣；4）制動(dòng)輪缸一側(cè)不好，有泄漏或發(fā)粘問(wèn)題；5）制動(dòng)盤(pán)一側(cè)粘油或變形，摩擦墊一側(cè)粘油；6）制動(dòng)底板或鉗支架固定螺栓一側(cè)松弛；7）增壓閥一側(cè)遭到阻塞。

3.5 制動(dòng)噪聲分析

制動(dòng)期間將同步形成高/低頻聲音，前者一般為110/dB；低頻振動(dòng)不利于維護(hù)制動(dòng)穩(wěn)定性。更惡劣表現(xiàn)在于，制動(dòng)噪聲不利于保證乘客的舒適度，縮短部件的使用壽命，并損壞承重部件，甚至引發(fā)重大安全問(wèn)題。制動(dòng)聲機(jī)制非常復(fù)雜，經(jīng)歸納整理具體如下：1）剎車(chē)結(jié)構(gòu)；2）環(huán)境因素；3）摩擦副特性；4）制動(dòng)條件[7]。

4 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)原因

4.1 空氣壓力異常

汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中氣壓異常的主要原因如下：一是汽車(chē)內(nèi)空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，不能正常工作；二是空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不正常。另一個(gè)是制動(dòng)控制閥管泄漏或是空氣通道被阻塞且空氣壓縮系統(tǒng)異常[8]。

4.2 制動(dòng)摩擦力矩下降

汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，制動(dòng)摩擦力矩不足主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：制動(dòng)鼓與制動(dòng)蹄之間的距離不合理；閘瓦質(zhì)量不合格；閘瓦接觸面積太??；活動(dòng)鞋鉚釘強(qiáng)度不夠；制動(dòng)蹄摩擦片嚴(yán)重磨損；制動(dòng)鼓產(chǎn)生凹槽。制動(dòng)凸輪軸和襯套松動(dòng)或嚴(yán)重磨損。這些因素均會(huì)造成制動(dòng)摩擦扭矩變小，從而引起系統(tǒng)失效問(wèn)題。

5 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中氣壓動(dòng)力制動(dòng)主要優(yōu)化內(nèi)容

在改善車(chē)輛氣動(dòng)制動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)全面掌握系統(tǒng)工作模式。一般情況下，若不考慮漏氣現(xiàn)象，那么系統(tǒng)前/后空氣儲(chǔ)存器間壓力可理解成恒定壓力源，借此設(shè)計(jì)與建?；局苿?dòng)組件[9]，具體有雙室制動(dòng)閥；制動(dòng)室繼動(dòng)閥與氣動(dòng)管路。

首先，雙室制動(dòng)閥是系統(tǒng)核心控制部件，行駛階段能夠把制動(dòng)踏板制動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成壓力信號(hào)。 行車(chē)期間，其工作過(guò)程能夠劃分為三個(gè)階段：第一，增壓；第二，保壓；第三，泄壓。在其建模階段，重點(diǎn)采用與制動(dòng)閥動(dòng)力學(xué)有關(guān)參數(shù)，具體包含制動(dòng)閥彈簧剛度；活塞回彈剛度與排氣間隙。

其次，繼動(dòng)閥核心作用在于使制動(dòng)閥與制動(dòng)氣室有效相連。其組件為4個(gè)管接頭：出/進(jìn)氣口，控制進(jìn)/排氣口。

最后，系統(tǒng)內(nèi)氣壓制動(dòng)功能為氣壓傳輸通道。系統(tǒng)優(yōu)化階段，核心宗旨在于有效增加車(chē)輛制動(dòng)壓力后，保證和制動(dòng)速度間處于最佳關(guān)系。設(shè)計(jì)建模階段，應(yīng)選擇節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)固有關(guān)鍵優(yōu)化內(nèi)容定義所需各項(xiàng)參數(shù)。

5.2 整體參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)所涉及的八個(gè)因素：1）首先，確定制動(dòng)系統(tǒng)的布局和制動(dòng)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)；2）按照汽車(chē)參數(shù)與系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，給出最優(yōu)制動(dòng)力分配系數(shù)；3）相應(yīng)制動(dòng)強(qiáng)度條件下，按照相同車(chē)型最大制動(dòng)壓力，判斷各輪缸直徑；4）按照卡鉗變形，制動(dòng)盤(pán)/制動(dòng)液壓力，制動(dòng)襯塊及其壓力，鋼管/軟管變形，判斷主缸最大工作容積；5）按照主缸直徑及其活塞行程區(qū)間規(guī)范系列，判斷兩者直徑；6）按照主缸直徑與最大制動(dòng)壓力，給出與之相符增壓器系列范圍；7）按照增壓器系列范圍，采用恰當(dāng)踏板杠桿比；8）全面剖析最終制動(dòng)力分配系數(shù)，主/輪缸直徑、活塞行程與踏板杠桿比。

5.3 典型零部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1）制動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具體內(nèi)容包含如下：其一，卡鉗輕量化設(shè)計(jì)，通過(guò)運(yùn)算與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)研究，使其固有頻率處于正常區(qū)間內(nèi)，降低或去除其和相應(yīng)零件間出現(xiàn)共振幾率；其二，盡可能讓制動(dòng)盤(pán)厚度差與截面跳動(dòng)次數(shù)變少，盡量去除制動(dòng)期間各底盤(pán)子系統(tǒng)共振幾率；其三，降低或去除中高頻制動(dòng)噪聲；其四，調(diào)控摩擦系數(shù)隨溫變可靠性。2）利用模擬與實(shí)驗(yàn)研究方式，由旁通閥至中心閥類(lèi)型，優(yōu)化主缸活塞密封圈與復(fù)位彈簧，或進(jìn)液方式，延長(zhǎng)活塞工作壽命。

5.4 汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中氣壓動(dòng)力制動(dòng)的主要優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化階段，選擇了三組仿真數(shù)據(jù)以獲得最佳設(shè)計(jì)，而后對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較與分析，最終做出準(zhǔn)確判斷。 關(guān)鍵分析數(shù)據(jù)包括延長(zhǎng)的空氣制動(dòng)器填充時(shí)間和延長(zhǎng)的空氣制動(dòng)器釋放時(shí)間，還有系統(tǒng)對(duì)最大恒定氣壓影響。

5.4.1 增大壓力響應(yīng)率

當(dāng)前，卡車(chē)對(duì)壓力的響應(yīng)時(shí)間通常在0.5至0.9秒之間。 該速度使叉車(chē)制動(dòng)非常遠(yuǎn)，并影響車(chē)輛的制動(dòng)安全性，必須得到優(yōu)化調(diào)整。

通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)的空氣制動(dòng)模型的參數(shù)，制動(dòng)閥下部腔室的彈簧剛度和繼動(dòng)閥反射剛度，將直接決定泵送與膨脹階段充氣延遲，最終改變制動(dòng)閥下部開(kāi)度?；匚粡椈蓜偠?、繼動(dòng)閥返回值都為10N/mm。 增加排氣時(shí)間過(guò)程中，排氣延遲取決于下部排氣腔與繼動(dòng)閥兩者排氣間隙，故而取制動(dòng)閥下方的排氣腔間隙為1.5mm。 排氣門(mén)間隙值為1.5毫米。

5.4.2 改善對(duì)極端壓力反應(yīng)

合理優(yōu)化模型參數(shù)，系統(tǒng)最大壓力響應(yīng)比不但受前制動(dòng)腔體積直接影響，同時(shí)與制動(dòng)閥毛細(xì)管彈性以及上制動(dòng)閥端口之間的距離有關(guān)。

通過(guò)分析優(yōu)化模型不難發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后壓力響應(yīng)速度能夠減小至0.3～0.5s，最終大幅改善壓力響應(yīng)速度，效果非常理想。

6 總結(jié)

眾所皆知，車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)主要作用在于維護(hù)行駛安全，因此性能優(yōu)劣決定著行駛安全性與穩(wěn)定性。隨著時(shí)間不斷推移，社會(huì)發(fā)展越來(lái)越快，汽車(chē)保有量逐漸增多，安全性、舒適性、穩(wěn)定性等等成為人們普遍關(guān)注的話題，因此本課題提出有著明顯必要性，未來(lái)必然吸引更多目光與關(guān)注。站在維修者角度來(lái)看，工作難點(diǎn)在于有效確定與解決系統(tǒng)故障；站在設(shè)計(jì)者角度來(lái)看，核心方向在于怎樣圍繞故障出發(fā)，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得更多理論支撐，全面增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。本文利用故障分析、診斷等信息，面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成合理優(yōu)化，獲得了一些重要結(jié)論與成果，大致實(shí)現(xiàn)預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)，克服了實(shí)踐階段許多問(wèn)題，在改善系統(tǒng)性能方面現(xiàn)實(shí)價(jià)值十分顯著，值得更深入研究與重視。 1）按照錯(cuò)誤情況界定故障模式；2）通過(guò)錯(cuò)誤樹(shù)搜索故障組件，同時(shí)完成有效定位；3）對(duì)剎車(chē)聲而言，可按照其頻率與種類(lèi)判斷其位置；4）優(yōu)化系統(tǒng)總體參數(shù)與部件結(jié)構(gòu)，使可靠性得到大幅改善；5）下一步重點(diǎn)是對(duì)各種故障模式進(jìn)行定量分析，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)與要求，引入更多新的技術(shù)與方法，圍繞現(xiàn)階段種種故障、問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)科學(xué)有效定量分析，提出更合理、更完善解決方案，盡量規(guī)避或降低各類(lèi)故障發(fā)生可能性，為人們出行安全提供更大保障，也為社會(huì)長(zhǎng)治久安奠定良好基礎(chǔ)。